山东省水资源生态足迹与用水效率时空测度

马晓蕾, 慎潇雯, 王 婕, 刘 雯, 张 曼

(1.淮阴师范学院 城市与环境学院,江苏 淮安 223300; 2.安阳师范学院 资源环境与旅游学院,河南 安阳 455000)

随着社会经济的快速发展,人类不仅过度开采水资源,而且对水环境造成的污染也日益严重,使得水资源紧缺,供需矛盾突出.生态足迹用于衡量人类对自然资本的利用程度,由Rees[1]于1992年提出,并在1996年由Wackernagel等[2]完善.生态足迹通过测算维持人类自然资源消费量和同化人类产生的废弃物所需的生态生产性空间面积,与给定人口区域的生态承载力进行比较,衡量区域的可持续发展状况[3].水资源生态足迹作为生态足迹评价的一部分,是指用于满足人类社会生产、生活以及维持生态系统健康所需的全部水资源量的生态空间面积.近年来,学者们从水资源生态足迹角度开展了一系列研究[4-5],如李腾等[6]运用水资源生态足迹与承载力模型对河北省水资源盈亏情况及可持续性进行评估;周子琴等[7]对贵州省水资源生态足迹随时间演变特征进行了研究;左其亭等[8]研究了黄河沿线省区水资源生态足迹的时空特征;路瑞等[9]对黄河流域水资源生态足迹进行评价;刘家旗等[10]利用生态足迹方法对黄河流域可持续发展进行研究;兰简琪等[11]基于生态足迹理论对青岛市水资源可持续性进行分析;王建事等[12]研究了山东省生态足迹时空演变以及生态环境与经济之间的关系.

上述学者虽然采用水资源生态足迹方法进行了很多深入研究,但对山东省及各地市水资源生态足迹时空演变,以及从水生态足迹视角分析用水效率的研究较少,有待进一步完善.本文中,笔者以山东省为例,对水生态足迹及用水效率时空格局进行研究,以期为沿海地区水资源承载力和可持续发展提供科学依据.

山东省位于中国东部沿海地区,地处黄河下游,省辖17个地级市(莱芜市2019年被划为济南市莱芜区),年降水量约550～950 mm,降水年内分布很不均匀.山东省总用水量为225.26 亿m3,其中农田灌溉用水量达119.75亿 m3,林牧渔畜用水量18.48亿 m3,工业用水量31.87亿 m3,城镇公共用水量7.99亿 m3,居民生活用水量29.30亿 m3,生态环境用水量17.87亿 m3[13].山东省在中国经济发展中占有重要地位,但水资源时空分布不均衡已成为区域经济发展面临的重要挑战.本研究基于生态足迹理论与方法,以山东省为研究区,从时间尺度上对全省2000—2018年水资源生态足迹进行分析,并从空间尺度上对各地级市水资源生态足迹、生态承载力、生态盈亏和用水效率等空间演变进行分析.由于可获得的山东省地级市水资源利用较为详细的数据最早为2007年,且为了比较各地级市水生态足迹空间格局分布特征及其演变趋势,分别选取2007,2010,2015和2018年进行对比分析.研究结果有助于揭示山东省不同地区水资源开发利用现状和存在问题,以及水资源生态承载能力的空间差异,进而为山东省水资源优化利用提供对策建议和决策依据.

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

水资源生态足迹(water ecological footprint)表示区域水资源代谢强度,反映水资源的消耗水平.为了解山东省水资源生态足迹的分布情况,建立农业用水、工业用水、生活用水、生态用水4个2级指标.水资源生态承载力(water ecological carrying capacity footprint)指区域在具体发展时间段内,水资源最大供给量能够支持区域资源、环境和社会可持续发展的能力[3],计算公式为[14-16]

Fw=γ(W/Pw),

(1)

Cw=0.4γφ(Q/Pw).

(2)

式中:Fw为水资源生态足迹,hm2;Cw为水资源生态承载力,hm2;γ为水资源全球均衡因子;W为用水量,m3;Pw为水资源全球平均生产能力,m3/hm2;φ为区域水资源产量因子[14,17];Q为水资源总量,m3.γ,Pw值以及山东省水资源产量因子(φ=0.7)参考文献[3].

Bw=Cw-Fw,

(3)

其中Bw为水资源生态盈亏指数,hm2.若Bw>0,表明区域处于水资源生态盈余状态,水资源生态承载力较强;若Bw=0,表明区域水资源恰好处于生态平衡状态;若Bw<0,表明区域处于水资源生态亏损状态,水资源超载.

万元GDP水资源生态足迹可反映研究区水资源生态足迹与经济发展水平之间的关系[18],这里用于反映山东省用水效率,即

Gw=Fw/GGDP.

(4)

式中:Gw为万元GDP水资源生态足迹;GGDP表示区域GDP值.Gw值越大,表明区域内单位产值所消耗的水资源量越多,水资源利用效率越低;反之,水资源利用效率越高.

1.2 数据来源

山东省及所辖17个地级市水资源总量、总用水量、工业用水、农业用水、生活用水和生态用水量指标数据来源于2000—2018年《山东省水资源公报》,GDP、第一产业增加值和第二产业增加值数据来源于《山东省统计年鉴》.

2 结果分析

2.1 山东省水生态足迹与用水效率随时间演变

2.1.1 水生态足迹与水生态承载力

2000—2018年,山东省总水生态足迹呈波动下降趋势,随着人口数量的增加,人均水生态足迹持续减小(见图1a).山东省水生态承载力总体呈波动起伏变化,年际差异较大(见图1b).2003年水生态承载力最高,为0.23亿 hm2;2002年最低,仅为0.045亿 hm2,年际间相差接近5倍.对2000—2018年山东省水生态足迹与水生态承载力进行对比可以发现,历年水生态足迹远高于水生态承载力,即水生态常年亏损.过度消耗水资源会造成生态环境的严重恶化,水资源的不可持续利用制约了社会经济发展.

图1 2000—2018年山东省水生态足迹与水生态承载力Fig.1 Fw,Cw and per Fw,Cw in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.2 水生态足迹构成

由图2a可知,山东省农业水生态足迹最高,2000—2018年呈先升后降趋势,2002年达到最高,2006—2018年总体呈明显下降趋势,表明全省农业节水灌溉效率不断提高,节水力度加强.由图2b可知,工业水生态足迹2000—2005年呈直线下降趋势,2006—2018年又呈波动上升趋势,工业用水量加大.2004年前,工业水生态足迹高于生活水生态足迹;2004年基本持平;随着人口数量的增长和人民生活水平的提高,生活用水量随之增加,2004年后生活水生态足迹反超工业水生态足迹(见图2c).生态水生态足迹呈波动上升趋势(见图2d),说明山东省加强了对生态环境的保护力度.

a.农业; b.工业; c.生活; d.生态.图2 2000—2018年山东省农业、工业、生活和生态水生态足迹变化趋势Fig.2 Fw Trends of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province from 2000 to 2018

2007—2018年,除农业水生态足迹占比下降外,工业、生活和生态水生态足迹占比均逐渐增加.山东省农业水生态足迹占比最高,由75.07 %下降到62.76 %;其次为生活水生态足迹,由12.49 %上升到16.95 %;工业水生态足迹低于生活,由10.99 %上升到15.30 %;生态水生态足迹最低,占比由1.46 %上升到4.99 %(见图3).

图3 山东省农业、工业、生活和生态水生态足迹占比变化Fig.3 Fw Proportion Changes of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province

图4 2000—2018年山东省单位产值水生态足迹变化Fig.4 Changes in Fw per Unit Output Value in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.3 万元GDP水生态足迹

山东省万元GDP水生态足迹呈小幅度下降趋势,之后处于平稳状态.农业万元生产总值水生态足迹呈显著下降趋势,但仍高于工业和平均水平,表明山东省农业经济用水效率提高速度最快,但用水效率仍然较低;工业万元生产总值水生态足迹趋于平稳且处于较低水平,表明工业用水效率高.总体上看,山东省用水效率不断提高,发展趋势较好(见图4).

2.2 山东省水生态足迹与用水效率空间差异

2.2.1 水生态足迹

山东省各地市水生态足迹空间差异大,高值区大多位于山东省西部地区,距离海洋较远,尤其是菏泽、济宁、德州和聊城4市,水生态足迹较高;低值区靠近沿海,如威海、日照2市水生态足迹较低(见图5,图中数值为农业水生态足迹占比).聊城和潍坊2市水生态足迹下降明显,说明2市重视水资源的节约利用和保护,水资源利用效率有所提高.各地市农业水生态足迹占比大,工业与生活水生态足迹次之,生态水生态足迹占比最小.威海、日照、莱芜、枣庄4市各类用水生态足迹总体较小;德州、菏泽、聊城、济宁4市农业水生态足迹高,农业生产需水量大,应发展节水农业,采用滴灌、喷灌等节水技术提高用水效率.

图5 山东省水生态足迹及其构成空间格局演变Fig.5 Spatial Pattern Evolution of Fw and Its Composition in Shandong Province

表1 山东省各地市人均水生态足迹变化Tab.1 Changes of per Capita Fw in Cities of Shandong Province

2.2.2 人均水生态足迹

总体上看,山东省各地市2007—2018年人均水生态足迹变化趋势大致可以分为3类,分别为下降、基本不变和上升.处于下降趋势的城市有济南、青岛、淄博、潍坊、济宁、莱芜、临沂、德州和聊城;基本不变的有枣庄、烟台、泰安、日照、菏泽5个地级市;处于上升趋势的城市是东营、威海和滨州.2018年,青岛市人均水生态足迹最低,仅为0.19 hm2/人;东营市最高,为0.88 hm2/人.由表1可知,山东省不同地市人均水生态足迹空间差异大,水资源消耗区域不均衡,对于人均水生态足迹较高的地区,应进一步加强水资源节约利用,减少人均水资源消耗.

2.2.3 水生态承载力

山东省各地市水生态承载力区域差异大,具体见图6.2007年,临沂、烟台、青岛3市水生态承载力较高,分别为3.22×106,2.34×106,1.69×106hm2,而东营市水生态承载力最低,仅为0.26×106hm2.与2007年相比,2010年增幅最大的是聊城市,降幅最大的是临沂市,高值区为临沂、烟台、菏泽3市,分别为1.72×106,1.63×106,1.33×106hm2.2015年,各地市水生态承载力均有所下降,水生态承载最高的为临沂市,约100万 hm2.2018年各地市水生态承载力显著提升,增幅最大的是潍坊市(增长约4倍),潍坊、临沂、济宁3市水生态承载力较强,分别为2.31×106,1.99×106,1.19×106hm2.莱芜市水生态承载力在2010,2015,2018年均是最低,说明莱芜市水资源较为稀缺,承载能力较弱,今后要特别加强水资源的优化利用.

2.2.4 水生态盈亏

图7为山东省各地级市2007,2010,2015和2018年水生态盈亏指数变化情况.2007年,青岛、烟台、威海、日照和临沂5市水生态盈亏指数大于0;2010年,烟台、威海2市水生态盈亏指数大于0;2018年,潍坊、日照2市水生态盈亏指数大于0,处于水生态盈余状态;其余不同地市各年份水生态盈亏指数均小于0,处于水生态赤字状态,其中济宁、德州和聊城3市水生态亏损最大,处于严重超载状态.这种情况表明山东省水生态资源短缺问题较为严峻,急需采取有效措施加强水资源节约利用,缓解水资源生态压力,促进区域可持续发展.

图7 山东省各地市水生态盈亏变化Fig.7 Bw Changes in Cities of Shandong Province

2.2.5 用水效率空间格局

威海、青岛、烟台3市万元GDP水生态足迹较低,用水效率高(见图8).其中,青岛市经济较为发达,地区生产总值位于全省第1位,烟台市GDP位于全省第3位,水资源利用效率高;威海市GDP相较于省内其他城市属于中等偏下水平,但其工业耗水量少,用水效率高,使得整体水资源利用率较高;菏泽、聊城、德州3市万元GDP水生态足迹较高,水资源利用效率偏低.

图8 山东省各地市万元GDP水生态足迹空间格局演变Fig.8 Spatial Pattern Evolution of Fw per 10 000 Yuan GDP in Shandong Province

山东省万元GDP水生态足迹与农业万元增加值水生态足迹的空间格局较为一致,农业作为山东省主要支柱型产业,用水量最大,水资源利用效率相比工业较低.菏泽、德州、滨州3市农业万元增加值水生态足迹较高,使得总体GDP水生态足迹较高.沿海城市农业万元增加值水生态足迹较低,用水效率高(见图9).工业方面,各地市整体工业万元增加值水生态足迹处于上升趋势,2018年,滨州市万元工业增加值水生态足迹最高,为0.33 hm2/万元;其次为莱芜市,莱芜市工业增加值处于全省最低水平,用水效率也较低,为0.27 hm2/万元;而济南、青岛、烟台等工业增加值较高的地区,用水效率高,万元工业增加值的水生态足迹均小于 0.1 hm2/万元.

图9 山东省农业和工业万元增加值水生态足迹空间格局演变Fig.9 Agricultural and Industrial Fw per 10 000 Yuan Added Value in Shandong Province

3 结论与建议

3.1 结 论

利用水生态足迹方法,通过万元GDP水生态足迹反映山东省用水效率,得出以下主要结论.

1) 从时间上看,2000—2018年山东省处于水生态亏损状态,生态赤字较大.山东省以农业用水为主,农业水生态足迹占比高达60 %以上.2004年前工业水生态足迹高于生活,2004年后随着人口的增长以及生活水平的提高,生活用水量不断增加,致使生活水生态足迹上升,超过工业;生态用水量及生态水生态足迹均处于增长趋势,说明山东省近年加大了对生态环境的保护力度.全省万元GDP水生态足迹变化较小,农业万元增加值水生态足迹处于明显下降趋势,农业用水效率有所提高,但仍远低于工业;工业用水效率较高,且处于较为平稳态势.

2) 从空间上看,山东省水资源生态足迹高值区集中在西部的菏泽、济宁、德州和聊城4市,莱芜、威海、日照3市水资源生态足迹较低.从空间格局演变情况看,山东省大部分地市普遍存在水生态赤字问题,济宁市水生态赤字居于首位,威海、日照、莱芜3市水生态赤字较小.

3) 用水效率方面,全省各地市万元GDP水生态足迹相差较大,西部地区较高、北部地区较低,其中青岛、威海、烟台3市最低,用水效率高.2000—2018年,全省农业万元增加值水生态足迹由2.34 hm2/万元下降到0.94 hm2/万元,说明农业用水效率有了大幅度提高;工业万元增加值水生态足迹由0.17 hm2/万元下降到0.12 hm2/万元,工业用水效率也有了一定提升.

3.2 建 议

随着社会经济不断发展,生活、生产和生态环境等方面对水资源的需求量将随之增加,提高用水效率、节约水资源等成为急需解决的重要问题.山东省水资源总量不足,人均占有量少,水资源地区分布不均且差异较大,今后应重点从以下几方面着手解决水问题.

1) 农业方面,由于山东省农业用水效率明显低于工业,因此应重点加强农业节水,提高农业生产效率.菏泽、滨州和德州等地市万元增加值水生态足迹高于1.8 hm2/万元,应重点进行改造,如增加节水灌溉面积、改传统漫灌为节水的滴灌和喷灌、加强水利工程建设等,降低农业用水量,提高农业用水效率[13],减轻山东省农业生产用水压力.青岛、威海等地市农业用水效率较高,万元增加值生态足迹仅0.2 hm2/万元左右,其他城市可以借鉴其发展经验.

2) 工业方面,滨州市工业用水效率处于全省最低水平,工业生产带来的水生态足迹高达50万hm2,居全省第2位,但工业增加值却处于全省较低水平.因此,滨州市应加强对耗水工业发展的监督和管理,提高产业创新能力,推动产业的绿色转型和高质量发展.莱芜市用水效率较低,工业增加值处于全省最低水平,应大力提高工业增加值,结合区域自身发展实际加快产业转型升级和加大科技投入,提高工业生产效率.

3) 生活和生态方面,政府有关部门应加强宣传和引导,提高全民节水意识.加强对污水排放的监督和管理,推动雨水、污水回收再利用,将处理之后的水资源用于城市景观绿化,缓解山东省用水压力,改善用水状况,实现山东省水资源可持续发展,保护水生态环境.